CN104183594B - 一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件 - Google Patents

一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体为一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件。该氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管，其中常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管的第一源极和第一控制栅分别与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管的第二漏极和第二控制栅连接；且常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管的第一浮栅通过一个第一二极管与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管的第二源极连接。本发明的氮化镓功率器件可以在同一个氮化镓基底上形成，结构简单、易于封装、适合高压、高速操作并且具有很高的可靠性。

Description

一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件。
背景技术
高电子迁移率的宽禁带器件比如氮化镓高电子迁移率晶体管相对于传统的硅器件具有耐高温、高效率、高速度等优点，已被广泛使用。目前，600V的氮化镓高电子迁移率器件很难做成常关型，即使做成常关型器件，其阈值电压也接近0V，容易被误开启。因此600V的氮化镓功率开关通常由一个常开型氮化镓高电子迁移率晶体管器件和一个常关型硅基器件用共源共栅连接方式组成。
公知的共源共栅的氮化镓功率开关电路如图1所示，包括共源共栅配置的常开型氮化镓晶体管(MGaN) 和常关型硅基MOS晶体管(MSi)，其中，硅基MOS晶体管(MSi)主动地被栅极驱动器控制，栅极驱动器产生栅极信号（VGM）。氮化镓晶体管（MGaN）是间接的通过硅基MOS晶体管 (MSi)控制，因为硅基MOS晶体管 (MSi)的漏极-源极电压等于氮化镓晶体管（MGaN）的源极-栅极电压。共源共栅的氮化镓功率开关的优点是可以使用现有标准的栅极驱动器，因此共源共栅的氮化镓功率开关可以被用来直接替换硅基MOS晶体管开关。然而共源共栅的氮化镓功率开关的可靠性不高，首先共源共栅的氮化镓晶体管开关在动态雪崩时，低压的常关型硅基MOS晶体管容易被击穿；其次，氮化镓晶体管由于在动态操作中存在电压脉冲，因此也存在被击穿、栅极pn结反向导通等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，能够提高氮化镓功率器件的可靠性。
本发明提供的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管；其中：
所述常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管包括第一源极和第一漏极，在该第一源极和第一漏极之间设有第一电流沟道区，该第一电流沟道区之上设有第一浮栅，该第一浮栅之上设有第一控制栅，该第一控制栅通过电容耦合作用于该第一浮栅；
所述常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管包括第二源极和第二漏极，在该第二源极和第二漏极之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二控制栅；
所述第一源极与所述第二漏极连接，所述第一控制栅与所述第二控制栅连接，所述第一浮栅通过第一二极管与所述第二源极连接，该第一二极管的阳极与所述第一浮栅连接，该第一二极管的阴极与所述第二源极连接。
优选地，该第一浮栅与该第一电流沟道区之间设有第二二极管，该第二二极管的阳极与该第一浮栅连接，该第二二极管的阴极与该第一电流沟道区连接。第二二极管与第一电流沟道区的接触可以通过减少极化量来减弱该处沟道的导通能力，因而该第二二极管可以提高常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管的阈值电压。
优选的，上述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，所述常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管还包括在所述第二电流沟道区与所述第二控制栅之间设有第二浮栅，该第二控制栅通过电容耦合作用于该第二浮栅。通过控制该第二浮栅的掺杂浓度可以调节常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管的阈值电压。
优选的，上述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，所述第一控制栅延伸至所述第一二极管之上，所述第一控制栅与所述第一二极管组成一个以所第一控制栅为栅极的栅控二极管。通过对第一二极管增加一个栅极，可以提高第一二极管的钳位能力。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：首先，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管，这两种器件可以形成于同一个氮化镓基底之上，而且常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管采用半浮栅结构，使得本发明的氮化镓功率器件结构简单、易于封装；其次，常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管的第一浮栅与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管的第二源极之间的第二极管可以钳位，使得半浮栅功率器件适合高压、高速操作并且具有很高的可靠性；再次，本发明的常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管可以采用浮栅结构来调节其在工作状态时的阈值电压，使其能够更好地作为功率开关管使用。
附图说明
图1是现有技术的一种共源共栅的氮化镓功率开关电路示意图。
图2至图9是本发明提出的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第一个至第八个实施例的等效电路示意图。
具体实施方式
为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制造引起的偏差等、再如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中均以矩形表示。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1
图2是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第一个实施例的等效电路示意图，如图2所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202，在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二控制栅204。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅204连接。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例2
图3是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第二个实施例的等效电路示意图，如图3所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103与该第一电流沟道区之间设有一个第二二极管20且该第二二极管20的阳极与第一浮栅103连接。该第二二极管20的阴极与该第一电流沟道区连接。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202。在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二控制栅204。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅204连接。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例3
图4是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第三个实施例的等效电路示意图，如图4所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202。在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区。该第二电流沟道区之上设有第二浮栅203。该第二浮栅203之上设有第二控制栅204，该第二控制栅204通过电容耦合作用于该第二浮栅203。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅204连接。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例4
图5是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第四个实施例的等效电路示意图，如图5所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103与该第一电流沟道区之间设有一个第二二极管20且该第二二极管20的阳极与第一浮栅103连接、该第二二极管20的阴极与该第一电流沟道区连接。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202。在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二浮栅203。该第二浮栅203之上设有第二控制栅204，该第二控制栅204通过电容耦合作用于该第二浮栅203。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅连接204。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例5
图6是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第五个实施例的等效电路示意图，如图6所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202。在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二控制栅204。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅连接204。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接；同时第一控制栅104延伸至该第一二极管10之上。由此第一控制栅104与第一二极管10组成一个以第一控制栅104为栅极的栅控二极管。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例6
图7是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第六个实施例的等效电路示意图，如图7所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103与该第一电流沟道区之间设有一个第二二极管20且该第二二极管20的阳极与第一浮栅103连接。该第二二极管20的阴极与该第一电流沟道区连接。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202，在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二控制栅204。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅204连接。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接；同时第一控制栅104延伸至该第一二极管10之上。由此第一控制栅104与第一二极管10组成一个以第一控制栅104为栅极的栅控二极管。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例7
图8是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第七个实施例的等效电路示意图，如图8所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202，在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区，该第二电流沟道区之上设有第二浮栅203。该第二浮栅203之上设有第二控制栅204，该第二控制栅204通过电容耦合作用于该第二浮栅203。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅204连接。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接，同时第一控制栅104延伸至该第一二极管10之上。由此第一控制栅104与第一二极管10组成一个以第一控制栅104为栅极的栅控二极管。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
实施例8
图9是本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的第八个实施例的等效电路示意图，如图9所示，本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200。其中：常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100包括第一源极101和第一漏极102，在该第一源极101和第一漏极102之间设有第一电流沟道区。该第一电流沟道区之上设有第一浮栅103。该第一浮栅103与该第一电流沟道区之间设有一个第二二极管20且该第二二极管20的阳极与第一浮栅103连接。该第二二极管20的阴极与该第一电流沟道区连接。该第一浮栅103之上设有第一控制栅104，该第一控制栅104可以通过电容耦合作用于该第一浮栅103。常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200包括第二源极201和第二漏极202，在该第二源极201和第二漏极202之间设有第二电流沟道区。该第二电流沟道区之上设有第二浮栅203。该第二浮栅203之上设有第二控制栅204，该第二控制栅204通过电容耦合作用于该第二浮栅203。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一源极101与常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二漏极202连接；第一控制栅104与第二控制栅连接204。且第一浮栅103通过第一二极管10与所述第二源极201连接。该第一二极管10的阳极与所述第一浮栅103连接，该第一二极管10的阴极与所述第二源极201连接；同时第一控制栅104延伸至该第一二极管10之上。由此第一控制栅104与第一二极管10组成一个以第一控制栅104为栅极的栅控二极管。本发明的常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管100的第一漏极102、第一控制栅104、常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管200的第二源极201分别作为本发明的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）使用。
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种半浮栅功率器件技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，包括一个常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管和一个常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：
所述常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管包括第一源极和第一漏极，在所述第一源极和第一漏极之间设有第一电流沟道区，所述第一电流沟道区之上设有第一浮栅，所述第一浮栅之上设有第一控制栅，所述第一控制栅通过电容耦合作用于所述第一浮栅；
所述常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管包括第二源极和第二漏极，在所述第二源极和第二漏极之间设有第二电流沟道区，所述第二电流沟道区之上设有第二控制栅；
所述第一源极与所述第二漏极连接，所述第一控制栅与所述第二控制栅连接，所述第一浮栅通过第一二极管与所述第二源极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一浮栅连接，所述第一二极管的阴极与所述第二源极连接；
常开型高压氮化镓高电子迁移率晶体管的第一漏极、第一控制栅和常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管的第二源极分别作为半浮栅结构的氮化镓功率器件的漏极（D）、源极（S）和栅极（G）。
2.根据权利要求1所述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，其特征在于：
所述第一浮栅与所述第一电流沟道区之间还设有第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第一浮栅连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电流沟道区连接。
3.根据权利要求1或2所述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，其特征在于：所述常关型低压氮化镓高电子迁移率晶体管还包括在所述第二电流沟道区与所述第二控制栅之间设有的第二浮栅，所述第二控制栅通过电容耦合作用于所述第二浮栅。
4.根据权利要求1或2所述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第一控制栅延伸至所述第一二极管之上，所述第一控制栅与所述第一二极管组成一个以所述第一控制栅为栅极的栅控二极管。
5.根据权利要求3所述的采用半浮栅结构的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第一控制栅延伸至所述第一二极管之上，所述第一控制栅与所述第一二极管组成一个以所述第一控制栅为栅极的栅控二极管。
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